專利名稱:全硅基材料光收發(fā)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及光互連技術(shù)領(lǐng)域,尤其是一種全硅基材料光收發(fā)模塊。
背景技術(shù):
光互連被認(rèn)為是解決電互連速度慢,功耗高,串?dāng)_嚴(yán)重等問(wèn)題的最有潛力的替代 方案,同時(shí)在光纖通信與中遠(yuǎn)距離互連中也有重要的應(yīng)用。光互連與常規(guī)的金屬互連相 比,具有卓越的潛在優(yōu)勢(shì),這些優(yōu)勢(shì)是基于光與電固有的物理特性差別。光信號(hào)和電信號(hào)都 是電磁波,不同之處在于它們的振蕩頻率f,對(duì)光波和電波來(lái)說(shuō)其頻率分別約為IO14 ^ f^ 彡IO15和10"Ηζ。典型的光頻率至少比信號(hào)帶寬大3個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著調(diào)制光波 對(duì)信號(hào)帶寬有著巨大的處理能力。大的光頻率具有產(chǎn)生短脈沖的能力,短脈沖對(duì)消除時(shí)鐘 歪斜具有至關(guān)重要的作用。同時(shí),光本身也是良好的電壓隔離器,對(duì)降低器件功耗也有重要 意義。目前的光互連模塊基本上都應(yīng)用于中遠(yuǎn)距離互連及板-板通信,采用垂直腔面發(fā)射 激光器(VCSEL)和光電探測(cè)器構(gòu)成。然而,隨著集成電路之間及集成電路內(nèi)部對(duì)互連需求 的增長(zhǎng),上述方案的缺點(diǎn)也十分明顯,主要在于VCSEL在集成電路內(nèi)部的高溫環(huán)境下的熱 穩(wěn)定性極差,同時(shí)所使用的材料也與硅集成電路的材料不兼容,不能采用微電子工藝批量 生產(chǎn),成本居高不下。
發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此,本發(fā)明的主要目的在于提出一種全硅基材料光收發(fā)模塊,具有與微電 子工藝兼容,可以批量生產(chǎn),制造成本低,工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),尤其適合于集成電路間及集成 電路內(nèi)部的光互連。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供了一種全硅基材料光收發(fā)模塊,該模塊包括光發(fā)射 部分1和光接收部分2,其中光發(fā)射部分1包括光調(diào)制器101 ;通過(guò)第一光波導(dǎo)104連接于光調(diào)制器101的第一光耦合器102 ;通過(guò)第二光波導(dǎo)105連接于光調(diào)制器101的第二光耦合器103 ;以及連接于光調(diào)制器101的光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)106 ;光接收部分2包括第三光耦合器202;光電探測(cè)器201;以及光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)204 ;第三光耦合器202、光電探測(cè)器201和光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)204依次連接,且第三光耦合器202通過(guò)第三光波導(dǎo)203連接于光電探測(cè)器201 ;其中,在光發(fā)射部分1,第一光耦合器102將外界光信號(hào)耦合進(jìn)入第一光波導(dǎo)104, 第一光波導(dǎo)104與光調(diào)制器101輸入端相連,電信息通過(guò)光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)106加載至光 調(diào)制器101,光調(diào)制器101將電信息轉(zhuǎn)化為光信息,并通過(guò)第二光波導(dǎo)105進(jìn)行傳輸,第二 光波導(dǎo)105中的光信息經(jīng)過(guò)第二光耦合器103耦合入光纖進(jìn)行傳輸;在光接收部分2,第三 光耦合器202將光纖中的光信息耦合入第三光波導(dǎo)203,第三光波導(dǎo)203與光電探測(cè)器201 相連,轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)204輸出。上述方案中,所述硅基材料是絕緣體上的硅SOI材料,或者是體硅材料,或者是硅 襯底上的化合物半導(dǎo)體材料。上述方案中,所述光調(diào)制器101是電光調(diào)制器,或者是熱光調(diào)制器,或者是微機(jī)械 調(diào)制器,用于完成電信息與光信息的轉(zhuǎn)換,在電信息的作用下對(duì)經(jīng)由光波導(dǎo)輸入的光進(jìn)行 調(diào)制,從而將電信息轉(zhuǎn)化為光信息,并在光調(diào)制器101的輸出端通過(guò)光波導(dǎo)進(jìn)行傳輸。上述方案中,所述第一光耦合器102、第二光耦合器103或第三光耦合器202是光 柵耦合器,或者是錐形耦合器,或者是微鏡耦合器,用于將光纖中的光高效耦合進(jìn)入光波導(dǎo) 中進(jìn)行傳輸。上述方案中,所述第一光波導(dǎo)104、第二光波導(dǎo)105或第三光波導(dǎo)203是硅襯底上 的半導(dǎo)體材料光波導(dǎo),或者是硅光波導(dǎo),或者是聚合物光波導(dǎo)。上述方案中,所述光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)106用于作為光調(diào)制器101與電學(xué)驅(qū)動(dòng)信號(hào) 的接口,完成光調(diào)制器101與外界電傳輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配及輸入信號(hào)整形。上述方案中,所述光電探測(cè)器201是硅探測(cè)器,或者是化合物半導(dǎo)體探測(cè)器,用于 將光信息重新轉(zhuǎn)換為電信息,通過(guò)光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)204輸出。(三)有益效果本發(fā)明全硅基材料光收發(fā)模塊,在硅平臺(tái)上充分發(fā)揮微電子工藝技術(shù)成熟、可以 批量生產(chǎn),制造成本低,工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在硅基平臺(tái)上,采用CMOS集成工藝,一次性制備 光耦合器、光調(diào)制器、光波導(dǎo)、光調(diào)制器與光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)、光探測(cè)器等元件,集成度 高,適合于集成電路間及集成電路內(nèi)部的光互連。
為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn),以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作一詳細(xì)的 描述,其中圖1是本發(fā)明提供的全硅基材料光收發(fā)模塊的方框圖。圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的原理示意圖。圖3是本發(fā)明應(yīng)用于集成電路間互連的原理示意圖。圖4是本發(fā)明應(yīng)用于集成電路內(nèi)部互連的示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明光發(fā)射部分 1光接收部分 2光調(diào)制器101第一光耦合器102
第二光耦合器103第一光波導(dǎo)104第二光波導(dǎo)105光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)106光電探測(cè)器201第三光耦合器202第三光波導(dǎo)203光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)20具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合具體實(shí)施例,并參照 附圖,對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示,本發(fā)明提供的全硅基材料光收發(fā)模塊包括光發(fā)射部分1和光接收部 分2,其中光發(fā)射部分1包括光調(diào)制器101、第一光耦合器102、第二光耦合器103、第一光波 導(dǎo)104、第二光波導(dǎo)105,以及光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)106 ;光接收部分2包括光電探測(cè)器201、第 三光耦合器202、第三光波導(dǎo)203以及光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)204。在光發(fā)射部分,利用一恒定的激光器或發(fā)光二級(jí)光器件作為外界光信號(hào),此信號(hào) 光通過(guò)光纖通路連接到第一光耦合器102的輸入端;第一光耦合器102是光柵耦合器、錐形 耦合器或微鏡耦合器,其作用是將光纖中的光高效耦合進(jìn)入光波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸。電信息通 過(guò)光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)106加載至光調(diào)制器101,光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)106的主要作用是作為光 調(diào)制器101與電學(xué)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的接口,完成光調(diào)制器101與外界電傳輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配及輸 入信號(hào)整形。光調(diào)制器101可以是硅或硅基材料的電光、熱光、微機(jī)械調(diào)制器,其主要作用 是完成電信息與光信息的轉(zhuǎn)換。光調(diào)制器101將在電信息的作用下對(duì)經(jīng)由光波導(dǎo)輸入的光 進(jìn)行調(diào)制,從而將電信息轉(zhuǎn)化為光信息,并在光調(diào)制器101的輸出端通過(guò)光波導(dǎo)進(jìn)行傳輸。 光波導(dǎo)中的已經(jīng)經(jīng)過(guò)光調(diào)制的光信息又經(jīng)過(guò)第二光耦合器103耦合入光纖進(jìn)行傳輸。在光接收部分2,第三光耦合器202將光纖中的光信息耦合入第三光波導(dǎo)203,第 三光波導(dǎo)203與光電探測(cè)器201相連,光電探測(cè)器201可以是硅PIN結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器或是 硅基結(jié)構(gòu)上其他材料如SiGe、Ge、InP, GaAS等化合物半導(dǎo)體材料探測(cè)器。光電探測(cè)器201 將光信息重新轉(zhuǎn)換為電信息,通過(guò)光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)204輸出,進(jìn)行電信號(hào)的處理。圖2給出了圖1所示全硅基材料光收發(fā)模塊的一種具體實(shí)施方式
,為一種SOI材 料上的全硅光收發(fā)模塊。圖中,在光發(fā)射部分,利用一恒定的激光器作為外界光信號(hào),此信 號(hào)光通過(guò)光纖通路連接到光耦合器的輸入端;光耦合器是SOI光柵耦合器,其作用是將光 纖中的光高效耦合進(jìn)入SOI亞微米光波導(dǎo)中傳輸;調(diào)制器為SOI馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)電光調(diào) 制器,電信息通過(guò)光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)加載至SOI電光調(diào)制器,SOI電光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)有阻 抗匹配網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,將外界電傳輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配及輸入信號(hào)整形。在電信息的作用下,由于硅載流子色散效應(yīng),SOI電光調(diào)制器的調(diào)制臂折射率發(fā)生 改變,從而在干涉輸出端實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制,將電信息轉(zhuǎn)化為光信息,并在光調(diào)制器的輸 出端通過(guò)硅亞微米光波導(dǎo)進(jìn)行傳輸,經(jīng)過(guò)SOI光柵耦合器耦合入光纖進(jìn)行傳輸。在光接收部分,SOI光耦合器將光纖中的光信息耦合入光波導(dǎo),光電探測(cè)器為硅PIN結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器,可以通過(guò)材料生長(zhǎng)的方式或者鍵合的方式實(shí)現(xiàn)與亞微米波導(dǎo)的連接。本實(shí)施例中,采用了在SOI亞微米波導(dǎo)的另一段制造SOI硅光柵耦合器,然后通過(guò) 鍵合的方式實(shí)現(xiàn)硅PIN結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器與SOI亞微米波導(dǎo)的連接;探測(cè)器將光信息重新轉(zhuǎn) 換為電信息,通過(guò)光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)輸出。圖3是本發(fā)明應(yīng)用于集成電路間互連的原理示意圖。集成電路的輸出數(shù)據(jù)作為光 調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào),兩塊集成電路間采用光纖互連。圖4是本發(fā)明應(yīng)用于集成電路內(nèi)部互連的示意圖。集成電路內(nèi)部?jī)蓚€(gè)不同模塊之 間,分別集成硅基光收發(fā)模塊,通過(guò)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光路通路,兩個(gè)光收發(fā)模塊可以集成在一起, 制成光收發(fā)芯片,同理,可以將更多功能的收發(fā)模塊集成在一起制備光收發(fā)芯片。綜上所述,本發(fā)明全硅基材料光收發(fā)模塊至少具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明全硅基材料光收發(fā)模塊所采用器件的工藝均簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn),成本低 廉,合格率高。2、本發(fā)明全硅基材料光收發(fā)模塊均采用了硅基材料或與硅基工藝兼容的材料,集 成度高,適合于短距離及甚短距離光互連。以上所述的具體實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種全硅基材料光收發(fā)模塊,其特征在于,該模塊包括光發(fā)射部分(1)和光接收部分(2),其中光發(fā)射部分(1)包括光調(diào)制器(101);通過(guò)第一光波導(dǎo)(104)連接于光調(diào)制器(101)的第一光耦合器(102);通過(guò)第二光波導(dǎo)(105)連接于光調(diào)制器(101)的第二光耦合器(103);以及連接于光調(diào)制器(101)的光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)(106);光接收部分(2)包括第三光耦合器(202);光電探測(cè)器(201);以及光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)(204);第三光耦合器(202)、光電探測(cè)器(201)和光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)(204)依次連接,且第三光耦合器(202)通過(guò)第三光波導(dǎo)(203)連接于光電探測(cè)器(201);其中,在光發(fā)射部分(1),第一光耦合器(102)將外界光信號(hào)耦合進(jìn)入第一光波導(dǎo)(104),第一光波導(dǎo)(104)與光調(diào)制器(101)輸入端相連,電信息通過(guò)光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)(106)加載至光調(diào)制器(101),光調(diào)制器(101)將電信息轉(zhuǎn)化為光信息,并通過(guò)第二光波導(dǎo)(105)進(jìn)行傳輸,第二光波導(dǎo)(105)中的光信息經(jīng)過(guò)第二光耦合器(103)耦合入光纖進(jìn)行傳輸;在光接收部分(2),第三光耦合器(202)將光纖中的光信息耦合入第三光波導(dǎo)(203),第三光波導(dǎo)(203)與光電探測(cè)器(201)相連,轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)(204)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全硅基材料光收發(fā)模塊,其特征是,所述硅基材料是絕緣體 上的硅SOI材料,或者是體硅材料,或者是硅襯底上的化合物半導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全硅基材料光收發(fā)模塊,其特征是,所述光調(diào)制器(101)是電 光調(diào)制器,或者是熱光調(diào)制器,或者是微機(jī)械調(diào)制器,用于完成電信息與光信息的轉(zhuǎn)換,在 電信息的作用下對(duì)經(jīng)由光波導(dǎo)輸入的光進(jìn)行調(diào)制,從而將電信息轉(zhuǎn)化為光信息,并在光調(diào) 制器(101)的輸出端通過(guò)光波導(dǎo)進(jìn)行傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全硅基材料光收發(fā)模塊,其特征是,所述第一光耦合器 (102)、第二光耦合器(103)或第三光耦合器(202)是光柵耦合器,或者是錐形耦合器,或者 是微鏡耦合器,用于將光纖中的光高效耦合進(jìn)入光波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全硅基材料光收發(fā)模塊,其特征是,所述第一光波導(dǎo)(104)、 第二光波導(dǎo)(105)或第三光波導(dǎo)(203)是硅襯底上的半導(dǎo)體材料光波導(dǎo),或者是硅光波導(dǎo), 或者是聚合物光波導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全硅基材料光收發(fā)模塊,其特征是,所述光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)(106)用于作為光調(diào)制器(101)與電學(xué)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的接口,完成光調(diào)制器(101)與外界電傳輸 網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配及輸入信號(hào)整形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全硅基材料光收發(fā)模塊,其特征是,所述光電探測(cè)器(201)是 硅探測(cè)器,或者是化合物半導(dǎo)體探測(cè)器,用于將光信息重新轉(zhuǎn)換為電信息,通過(guò)光電探測(cè)器 匹配網(wǎng)絡(luò)(204)輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及光互連技術(shù)領(lǐng)域,公開了一種全硅基材料光收發(fā)模塊,包括光發(fā)射部分和光接收部分。光發(fā)射部分包括光調(diào)制器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光波導(dǎo)、第二光波導(dǎo)和光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)。光接收部分包括光電探測(cè)器、第三光耦合器、第三光波導(dǎo)和光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)。第一光耦合器將外界光信號(hào)耦合進(jìn)入第一光波導(dǎo),輸入光調(diào)制器,電信息通過(guò)光調(diào)制器匹配網(wǎng)絡(luò)加載至光調(diào)制器,光調(diào)制器將電信息轉(zhuǎn)化為光信息,并通過(guò)第二光波導(dǎo)進(jìn)入第二光耦合器耦合入光纖進(jìn)行傳輸。第三光耦合器將光纖中的光信息耦合入第三光波導(dǎo),轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器匹配網(wǎng)絡(luò)輸出。本發(fā)明采用硅基材料制備,可高度集成化、小型化,適合于片間及片內(nèi)光互連的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G02B6/42GK101995617SQ200910091399
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者余金中, 俞育德, 李運(yùn)濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所